大岗山隧道近库区富水全风化花岗岩地层综合施工技术

2023-11-08杨维彬

公路工程 2023年5期

杨维彬,张幸,靳昊,严健,汪波

(1.中化学交通建设集团有限公司，山东济南 250102；2.山东大学，山东济南 250100；3.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

1 概述

长大隧道一般为穿越高山峻岭区而设，普遍具有深埋、地质复杂、地灾易发等特点，且现有勘察手段无法准确探测隧道穿越区地质状况，向来是公路、铁路施工安全和效益控制的重点及难点。隧道穿越富水破碎带施工技术前人研究较多，如薛君等[1]基于东天山隧道提出了采用地质-物探-钻探相结合的综合地质预报方法，理清了断层与承压风化裂隙水的空间关系及成因；田志宇等[2]对百丈隧道穿越流塑状富水破碎带施工措施及其安全性进行了评价，提出了对于流塑状破碎带，加密超前支护是防止开挖时围岩出现较大变形或者坍塌的最有效措施，加固围岩尤其是边墙与基底处围岩非常重要；洪军等[3]对全风化花岗岩地层特大断面隧道施工过程支护受力进行了分析。但穿越近库区全风化花岗岩地层隧道的综合施工技术前人鲜有研究，本文结合大岗山隧道工程实践，提出了近库区全风化花岗岩综合施工技术、施工组织管理流程、各项基本保障等，为类似工程提供参考。

2 工程概况

泸石高速地处青藏高原东南缘向四川盆地过渡之川西南高山区中部，区内山势巍峨、河谷深切，地势表现出西高东低、北高南低的分布特征，地势起伏较大，海拔高程850～2 500 m，区内多为构造侵蚀斜坡地形，属构造侵蚀中山地貌。其中大岗山隧道是泸石高速的控制性工程，全长7 305 m，大岗山水库位于隧道右侧，直线距离最近处约1 650 m，库区常水位高于隧道拱顶29.5 m。隧道和水库位置关系如图1所示。

图1 大岗山隧道和水库位置关系图

地勘资料显示：大岗山隧道出口段围岩主要由花岗岩组成，夹少量辉绿岩岩脉或岩块，隧址区处于磨西断裂、大渡河断裂和金坪断裂所切割的黄草山断块上，受区内地壳频繁活动揉搓，围岩节理裂隙密集发育、极破碎且富水，手捏呈松散-粉末状，完整性极差，自稳能力极弱。

本区域地下水发育，主要赋存于斜坡浅部风化裂隙、构造裂隙及深部构造裂隙中。地表水主要为大渡河流域水系，区内被大岗山电站人为切割为两部分，坝址上游为大岗山水库，下游与龙头石水电站库尾相接，地表径流呈树杈状分布，常年流水，山体受切割强烈。年平均降雨量801.3 mm，其中6—9月的降雨量占年降雨量的70%左右。

3 施工中遇到的难题

隧址区围岩破碎，水力连通性强，受地表水及库区水补给，水源稳定，在水力作用下围岩呈流塑状，为典型的碎屑流地层(见图2)。库区距离隧道直线距离最近为1.65 km，常水位高于隧道拱顶29.5 m，地质环境不确定性因素较多，局部存在承压水，突涌水风险极高。

(a)碎屑流地层现场照片

2021年11月，隧道发生较大突涌水，持续时间2 min左右，突水涌泥方量约180 m3，涌水夹碎石流至中台阶处，掌子面逐步被碎石及泥砂填满，1 h后水量稳定在20～30 m3/d，稳定后绝对水量不高，但对围岩的破坏程度极高，如图3所示。

(a)隧道掌子面突水涌泥

4 综合施工技术

针对大岗山隧道富水全风化花岗岩段地质构造复杂、地质环境不确定性因素多、施工困难等特点，现场采用了综合超前地质预报方法对富水及围岩情况进行精准预测预报，在此基础上，试验比选了以密布超前注浆小导管低位堵水结合双层排水孔高位泄水施工排水方案，并根据设计方案，采用数值分析方法对优化后三台阶七步法开挖过程进行仿真，进而设置合理施工参数，达到快速施工目的。

4.1 综合超前地质预报技术

大岗山超前地质预报以地质编录、TSP-3D为基本预报手段，在传统瞬变电磁探水基础上，采用山东大学自主研发隧道激发极化探测仪器。该法在掌子面中部共布置12～20个测量电极，供电电极探测5圈，每圈4个供电点，利用探测对象与周围介质之间激电效应差异探测前方地质，可有效探测前方20～30 m地下水赋存情况。结合超前钻探，能准确地判断掌子面前方地质状况，为安全快速施工提供保障。隧道激发极化法成像图如图4所示。

图4 隧道激发极化法成像图

通过激发极化探测仪器检测隧道掌子面前方围岩电阻率数值整体变化情况，分析测量电极所探测到的电位变化，掌子面开挖前方存在较低电阻区域，推断出该段围岩地下水较发育，开挖时掌子面易出现滴渗水或线状流水，局部裂隙发育处可能出现股状流水。

4.2 施工排水方案及效果

根据超前地质预报情况，结合区域构造及全风化花岗岩地层富水特点，采用“高排低堵”的方案治理水害，如图5所示。低位采用超前预注浆、超前小导管及超前锚杆等进行注浆固结周围岩体，形成0.5～3 m的有效固结圈或堵水圈，控制围岩迅速变形。高位设置泄水孔泄排水，泄水孔长度30～50 m，孔底距离开挖轮廓线5 m，一般设置3～5个，采用φ108钢花管内设φ89钢花管包裹双层聚丙烯无纺布。

图5 “高排低堵”的方案

在此基础上，超前支护采用φ42 mm×4 mm钢花管或φ51 mm自进式锚杆，根据能否成孔灵活选用，设置于拱部120°，长度4～6 m，外插角5°～10°，根据围岩破碎和富水情况动态调整搭接长度及间距，搭接长度一般1～3 m，环向间距一般10～40 cm，以能有效控制溜塌和保证掌子面前方具备有效支点为宜，注浆浆液根据需要选择硫铝酸盐水泥浆或水泥-水玻璃双液浆，注浆压力控制在1～2 MPa，主要作用为改善围岩条件，保证其有6～8 h的自稳能力。

纺布泄水，管周排水孔孔径10～15 mm，环向间距30 cm，纵向间距100 cm，梅花型布置。

4.3 安全快速开挖过程分析

4.3.1基于数值仿真的开挖工法分析

根据设计方案采用三台阶七步法进行开挖。为了对施工过程中围岩的稳定性进行分析，同时获取适宜的施工参数，采用数值分析方法进行仿真分析。

a.建立开挖工况模型。

针对大岗山隧道富水全风化花岗岩地层，采用工序化数值模拟确定开挖进尺以实现安全快速开挖的目的。即在衬砌类型为Z5 a时，根据掌子面情况建立4种不同开挖模型，按照实际情况施加相应的边界条件进行模拟，模型体尺寸均为100 m×42 m×100 m，模型上部未建的岩层以应力的形式施加到模型的上表面。分别设置了两榀标准开挖、两榀快速开挖、三榀标准开挖和一榀快速开挖4种工况(见图6)，预留变形量为12 mm，采用的开挖工法为环形开挖预留核心土法。

图6 开挖工况图

考虑单调荷载下碎屑流以颗粒结构为主，因此，模型采用Mohr-Coulomb本构模型，该模型能够对胶接粒状混凝土材料特性较为贴合模拟。岩体及支护物理力学参数表见表1。

表1 岩体物理力学参数表

b.隧道施工变形时空演化规律分析。

模型隧道穿越Ⅴ级围岩，针对围岩受力及衬砌变形特点，对比分析不同工况开挖形式隧道衬砌的位移场，分析初支结构的变形特征。不同工况水平及竖直方向位移场如图7、图8所示。

(a)两榀开挖

通过位移云图可以看出，隧道初期支护的水平最大位移主要出现在左右边墙和左右拱脚处，其中最大水平位移出现在距离掌子面40 m左右的左右拱脚处。隧道采用两榀开挖、两榀快速开挖和一榀快速施工开挖的水平方向的最大变形量相差不大，而采用三榀开挖的隧道水平方向的最大变形量分别比两榀开挖、两榀快速开挖和一榀快速施工大23%、26%和10%。隧道初期支护的纵向最大位移主要出现在仰拱、拱脚、边墙和拱肩的区域，其中最大的纵向变形出现在距离掌子面40 m的仰拱处围岩与拱脚的相交处。

4种工况的最大变形都在4 cm左右，其中三榀开挖的变形超过了4 cm。根据《公路隧道施工技术规范》(JTG/T 3660—2020)第18.6.3条可知，实测位移值不应大于隧道的极限位移，将隧道设计的预留变形量作为极限位移U0，设计上Z5a型衬砌的预留变形量U0=12 cm，计算得到的拱脚变形最大值为4.35 cm，大于U0/3=4 cm，属于Ⅱ级管理等级，应加强支护。

隧道开挖在其拱顶、边墙和拱脚处的监测如图9所示，拱顶、边墙和拱脚处距掌子面越远其变形越大。其中边墙和拱脚处4种工况的变形量相差不大。对比分析拱顶位移的变形采用快速开挖时拱顶的变形量要略大于采用标准开挖时的变形量，并且开挖进尺越大变形量越大。

(a)拱顶

c.隧道施工应力时空演化规律。

在只施加初期支护未进行仰拱开挖和施加二衬的情况下，4种开挖工况下隧道水平方向的应力主要作用在拱肩和拱顶处，竖直方向的应力主要作用在拱肩和边墙处。其中隧道初期支护临空面处的应力略大于围岩表面的应力。拱肩的区域承受了较大水平和竖直方向的应力，因此施工时加强对左右拱肩区域的支护。在隧道开挖过程中，水平方向上的应力场两榀开挖工况初期支护所承受的的最大压应力最大分别为两榀快速开挖、三榀开挖工况和一榀快速开挖工况的15.7%、18.9%和15.8%，竖直方向上的应力场三榀开挖工况初期支护所承受的的最大压应力最大分别为两榀开挖、两榀快速开挖和一榀快速开挖的11.8%、8.0%和23.0%。

四种工况的最大主应力都出现在左拱肩-拱顶-右拱肩和拱脚处，并且都是压应力。最大拉应力都出现在拱脚的上部区域。其中三榀开挖初支结构所承受的最大压应力最大，其次依次是两榀快速开挖、两榀开挖和一榀快速开挖。

d.开挖进尺确定。

通过数值模拟结果分析，为保证大岗山隧道施工进度，同时隧道的变形量满足《公路隧道施工技术规范》(JTG/T 3660—2020)，采用两榀开挖、两榀快速开挖和一榀快速开挖的变形量和应力变化相差不大且均在安全范围内，因此，综合施工效率，选择2榀/循环(1.2 m)进行开挖。

4.3.2现场监测及数据分析

基于围岩-初支接触压力、孔隙水压力、岩体内部位移、表面应变等多元信息进行对突涌水风险段落工序化监测。监测内容、断面及测点布置如图10所示。监测频率为1 d 1次，检测日大于15 d后调整为2 d 1次，异常情况下加密监测频次。

图10 监测断面布设示意图

山东大学相关团队隧道监控量测数据的分析结果如图11～图13所示。图11～图13中可见，在4月份水量逐渐变大的同时，整体上围岩-初支接触压力、表面应变均呈现逐步增大趋势；同时，最大压应力、拉应力区域集中分布在隧道初期支护左拱肩-拱顶-右拱肩、拱脚上部区域，且上述部位的变形量也较大，但上述量值均在《JTG/T 3660—2020 公路隧道施工规范》标准，范围内，可见采用V级围岩上台阶按2榀钢架能满足规范要求，可有效保障施工安全。

图11 围岩-支护接触应力图

图12 表面应变监测图

图13 渗压监测图

4.4 绿色综合施工技术

针对区域环境敏感点多、水系分布丰富、桥隧占比高、临时用地多、隧道弃渣量大等不利环境因素，隧道采用“零开挖”进洞，最大限度减少对原始地形地貌的破环和扰动；采用清污分流系统，隧道清水直接排放，生产废水采用五级沉淀+压滤机循环处理后回用，达到污水“零排放”；洞内采用雾化喷淋系统减少扬尘；采用无人机技术及PPK后差分定位技术，对全线进行高精度航测及三维建模，形成3D-GIS地理信息模型与BIM技术融合进行环水保在线监测评估；定期采用弃渣场三维倾斜摄影模型数据进行自动坐标配准，自动计算和展示渣场责任范围、扰动范围、弃渣量和堆渣高度等信息；采用信息化评估方法，以在线监测数据为基础，以3D-GIS+BIM可视化方法进行环水保在线监测信息评估，如图14所示。